一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，步骤为：焊接过程中用带红外高通滤波片的视觉传感器连续采集焊道背面图像；通过前一帧图像获取熔池热辐射光和焊道坡口间隙透过的弧光信息；根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置；采集后一帧图像时开启平行光照明光源，根据熔池和焊缝背面凸起形成的光影特征，结合已得到的熔池背面中心所在区域，计算熔池背面中心位置和熔池背面特征宽度；计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量；根据熔池背面的特征宽度和位置偏移量调节焊接参数控制熔透，重复上述过程直至焊接结束，从而实现对焊接熔透质量的闭环控制。

A Real-time Control Method of Welding Penetration Quality Based on Visual Detection

The invention discloses a real-time control method for welding penetration quality based on visual inspection, which comprises the following steps: continuous acquisition of weld bead back image by a visual sensor with infrared high-pass filter in welding process; acquisition of weld pool thermal radiation light and arc information of weld groove gap transmission through the previous frame image; determination of the area of weld pool back center based on thermal radiation light information; and determination of weld pool back center according to the infrared high-pass filter image. The position of weld center line is calculated by arc information of gap penetration of weld groove; parallel illumination light source is turned on when the latter frame image is collected, and according to the light and shadow characteristics of weld pool and weld back bulge, the position of weld pool back center and characteristic width of weld pool back are calculated by combining the obtained area of weld pool back center; and the position between weld pool back center and weld center line is calculated. The penetration is controlled by adjusting the welding parameters according to the characteristic width and position offset on the back of the molten pool, repeating the above process until the end of the welding, so as to realize the closed-loop control of the penetration quality.

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法
本专利技术涉及一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，属于焊接自动化

技术介绍
焊接自动化以自动化设备代替传统人工作业，克服人工焊接的弊端，提高劳动生产效率，对保证焊接过程稳定性和焊缝质量具有重要意义。焊接熔透质量控制是焊接自动化面临的技术问题之一。在实际焊接过程中，焊接工件的装配间隙、散热条件变化、工件错边等各种不确定因素将导致焊缝熔透质量不一致，造成局部的未熔透、焊漏或焊缝不对中。为了克服作业条件中的不确定因素对焊接质量的影响，提高自动化焊接的可靠性，焊接系统应能实现对焊接过程中熔透质量的实时检测功能，从而进一步通过实时调节焊接参数达到对焊接熔透质量的控制。经对现有技术文献的检索发现，对焊接过程熔透质量的检测手段有多种，如采用弧压传感熔池振动信息、采用超声波检测熔池固液界面位置、采用焊接过程的声信号反映熔透状态等。各种检测手段中视觉检测因其非接触、抗电磁干扰、信息丰富的优点在焊接中具有非常广泛的应用前景。对熔透质量的视觉检测分为对熔池正面的视觉检测和对熔池背面的视觉检测。中国专利技术专利CN106624266B介绍了一种熔透质量检测方法，通过视觉传感器获取熔池正面信息，并结合焊接电流信息，采用神经网络模型计算焊缝偏差和熔透状态。一方面，该方法需要大量实验数据来训练一个实用的神经网络模型，从而根据熔池正面信息正确地反映出熔透状态，当焊接工件厚度、弧长等工作条件变化时，需重新训练模型；另一方面，熔池正面获取的图像受到强烈弧光的干扰，因此信噪比低，且图像特征不稳定。《智能制造》上发表的论文“铝合金TIG焊缝背面宽度的智能控制研究”采取向焊缝背面照射结构光、用视觉传感器获取结构光信息、识别焊缝背面宽度的方法来进行焊接熔透质量检测。该方法获取的焊缝背面宽度为已凝固区域的焊缝背面宽度，会给焊接质量闭环控制系统引入延时环节，同时无法获取熔池和焊缝的整个轮廓形状，也无法获取焊缝对中情况，所反映的熔透信息较少。
技术实现思路
针对现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法。本专利技术对焊接工件背面的熔池热辐射、焊道坡口间隙透过的弧光进行视觉传感，与采用平行光构造出的熔池和焊缝背面的光影特征相结合，获取熔池背面特征宽度和熔池背面中心相对焊道中心线的位置偏移量，从而对焊接电流和焊枪相对焊道的位姿进行实时调节，实现对熔透质量的控制。本专利技术适用于焊接工件紧密对接、背部无衬垫情况下的打底焊和单层焊接。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，步骤如下：(1)在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，开始焊接，视觉传感器采集焊道背面图像；(2)在采集第奇数帧图像时获取熔池热辐射光信息和从焊道坡口间隙透过的弧光信息，根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置；在采集第偶数帧图像时开启平行光照明光源，根据熔池和焊缝背面的凸起形成的光影特征，提取熔池和焊缝的背面轮廓，结合由第奇数帧图像得到的熔池背面中心所在区域，计算熔池背面中心位置和熔池背面特征宽度；(3)计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量，根据熔池背面的特征宽度调节焊接电流，根据位置偏移量调节焊枪与焊道的相对位姿；回到步骤(2)，直至焊接结束。上述步骤(1)中，所述在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，具体包括：视觉传感器视野对准焊枪正下方的焊接工件背面区域，平行光照明光源的波段在红外高通滤光片的通带内，照明区域为视觉传感器拍摄区域，该照明光源、视觉传感器、焊接工件的位置关系满足光学反射定律，即照明光源发射的平行光经焊接工件的反射能进入视觉传感器光路内。优选地，上述步骤(2)中，所述根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，具体方法为：在第奇数帧图像中，熔池背面由于热辐射光从而表现为亮度较高的区域，利用图像阈值分割提取出该区域，计算出该区域的形心的位置，将所述形心的邻域作为所述熔池背面中心所在区域，邻域大小根据实验确定。优选地，上述步骤(2)中，所述根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置，具体方法为：在第奇数帧图像中，从焊道坡口间隙透过的弧光表现为一个狭长的高亮区域，利用阈值分割提取出该高亮区域，并对该高亮区域进行形态学腐蚀和细化，利用直线霍夫变换计算出该高亮区域的中心线，并将所述中心线作为所述焊道中心线。优选地，上述步骤(2)中，所述根据熔池和焊缝背面的凸起形成的光影特征，提取熔池和焊缝的背面轮廓，具体方法为：在第偶数帧图像中，熔池和焊缝背面的下凸表面导致其反射的平行光照明光线大部分无法进入视觉传感器内，在图像中表现为亮度较暗的区域，而焊接工件背面的其他区域将大部分照明光线反射入视觉传感器内，在图像中表面为高亮区域，利用阈值分割从图像中提取熔池和焊缝区域，遍历该区域的像素，得到该区域的轮廓，将所述轮廓作为所述熔池和焊缝的背面轮廓。优选地，上述步骤(2)中，所述结合由第奇数帧图像得到的熔池背面中心所在区域，计算熔池背面中心位置和熔池背面特征宽度，具体方法为：利用半椭圆方程对所述熔池和焊缝的背面轮廓进行拟合，在所述熔池背面中心所在区域内枚举半椭圆的中心，用最小二乘法求出半椭圆的长半轴和短半轴参数，选取使误差平方和最小的半椭圆作为所述熔池和焊缝背面轮廓的拟合结果，将所述半椭圆的中心作为所述熔池背面中心，将所述半椭圆的最大宽度作为熔池背面特征宽度。优选地，上述步骤(3)中，所述计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量，具体方法为：采用求点到直线的距离的方式，计算熔池背面中心到焊道中心线之间的距离，以所述距离作为所述位置偏移量。本专利技术对视觉传感器进行分时复用，综合由熔池热辐射、弧光、主动照明光源得到的图像信息，直接获取熔池背面特征宽度、熔池背面中心与焊道中心线间的位置偏移量，并由此实时调节焊接参数控制熔透质量。本专利技术利用熔池热辐射信息快速定位熔池背面在图像中的位置，巧妙利用焊道坡口间隙透过的弧光确定焊道中心线位置，利用平行光照明光源在焊接工件背面构造光影条件，使得获取的图像中熔池和焊缝轮廓特征明显，显著降低图像处理难度，提高图像处理速度，达到实时控制的要求。附图说明图1为本专利技术公开的一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法的流程图；图2为本专利技术实施例中采用的用于焊接工件背面视觉传感的装置示意图；图3为本专利技术实施例中视觉传感器获取的第奇数帧图像的示意图；图4为本专利技术实施例中视觉传感器获取的第偶数帧图像的示意图；图5为本专利技术实施例中图像处理后获得的位置偏移量δ、熔池背面特征宽度w的示意图；附图标记：1-焊枪；2-焊接试件；21-焊道；3-红外高通滤光片；4-视觉传感器；5-平行光照明光源。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。图1为本专利技术公开的一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法的流程图，方法步骤如下：(1)在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，开始焊接，视觉传感器采集焊道背面图像；(2)在采集第奇数帧图像时获取熔池热辐射光信息和从焊道坡口间隙透过的弧光信息，根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，其特征在于，步骤如下：(1)在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，开始焊接，视觉传感器采集焊道背面图像；(2)在采集第奇数帧图像时获取熔池热辐射光信息和从焊道坡口间隙透过的弧光信息，根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置；在采集第偶数帧图像时开启平行光照明光源，根据熔池和焊缝背面的凸起形成的光影特征，提取熔池和焊缝的背面轮廓，结合由第奇数帧图像得到的熔池背面中心所在区域，计算熔池背面中心位置和熔池背面特征宽度；(3)计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量，根据熔池背面的特征宽度调节焊接电流，根据位置偏移量调节焊枪与焊道的相对位姿；回到步骤(2)，直至焊接结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，其特征在于，步骤如下：(1)在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，开始焊接，视觉传感器采集焊道背面图像；(2)在采集第奇数帧图像时获取熔池热辐射光信息和从焊道坡口间隙透过的弧光信息，根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置；在采集第偶数帧图像时开启平行光照明光源，根据熔池和焊缝背面的凸起形成的光影特征，提取熔池和焊缝的背面轮廓，结合由第奇数帧图像得到的熔池背面中心所在区域，计算熔池背面中心位置和熔池背面特征宽度；(3)计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量，根据熔池背面的特征宽度调节焊接电流，根据位置偏移量调节焊枪与焊道的相对位姿；回到步骤(2)，直至焊接结束。2.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，其特征在于，所述在焊接工件背面放置带有红外高通滤光片的视觉传感器和平行光照明光源，具体包括：视觉传感器视野对准焊枪正下方的焊接工件背面区域，平行光照明光源的波段在红外高通滤光片的通带内，照明区域为视觉传感器拍摄区域，该照明光源、视觉传感器、焊接工件的位置关系满足光学反射定律，即照明光源发射的平行光经焊接工件的反射能进入视觉传感器光路内。3.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法，其特征在于，所述根据热辐射光信息确定熔池背面中心所在区域，具体方法为：在第奇数帧图像中，熔池背面由于热辐射光从而表现为亮度较高的区域，利用图像阈值分割提取出该区域，计算出该区域的形心的位置，将所述形心的邻域作为所述熔池背面中心所在区域，邻域大小根据实验确定。4.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，彭国栋，薛博策，王力，王国庆，高彦军，田志杰，
申请(专利权)人：清华大学，首都航天机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11